摘要: 隨著惰性氣體應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)展，對于惰性氣體的合理使用和有效節(jié)省是惰性氣體應(yīng)用行業(yè)能否穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵，這需要檢測使用材料對于惰性氣體阻隔性。本文從實際檢測的角度分析了惰性氣體透過性檢測的可行性、注意事項，并與常規(guī)氣體透過量的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了比對。
關(guān)鍵詞：惰性氣體，氣體透過性，透氣性，氦氣
隨著惰性氣體工業(yè)制取技術(shù)的發(fā)展，其在工業(yè)、民用業(yè)等領(lǐng)域的實際應(yīng)用也大幅增長。由于惰性氣體具有很多常規(guī)氣體所不具有的優(yōu)勢，因此在一些領(lǐng)域中使用惰性氣體，不但有利于提高設(shè)計效果，同時也大大增加使用安全性。
zui近一段時間，蘭光實驗室陸續(xù)收到一些航空學(xué)院、研究所的樣品，測試氣體為氦氣，這屬于非常規(guī)氣體的阻隔性檢測，氦氣非常容易泄露，試驗難度可想而知。蘭光實驗室通過自行研制的壓差法氣體滲透儀很好地完成了檢測任務(wù)。本文通過氦氣透過性試驗，對材料的惰性氣體透過性測試進(jìn)行簡單介紹。
1 . 惰性氣體的應(yīng)用需求
需要先說明的一點(diǎn)是，包裝行業(yè)中所說的惰性氣體與科學(xué)定義上的惰性氣體是不同的。包裝行業(yè)中所說的惰性氣體是用于MAP包裝中的組合氣體，這些氣體與所包裝的食物不發(fā)生反應(yīng)，可以起到緩解食物的變質(zhì)過程、有效延長食物保質(zhì)期的作用，因此在包裝行業(yè)中被成為“惰性氣體"。然而這些氣體一旦脫離了特定的MAP包裝環(huán)境，則性質(zhì)就會變得活潑多了。
科學(xué)上定義的惰性氣體（Inert Gas或Noble Gas）又稱鈍氣、稀有氣體、貴重氣體，共有六種，按照原子量遞增的順序排列，依次是氦、氖、氬、氪、氙、氡。在通常情況下，它們不與其他元素化合，而僅以單個原子的形式存在。惰性氣體*的化學(xué)性質(zhì)給它們帶來了很多特殊的應(yīng)用，例如氦可用于安全氣球或飛艇；氖在真空放電管中發(fā)生紅色光，用于廣告燈；氬可填充燈泡保護(hù)鎢絲，zui近也開發(fā)出采用氬氣的新型MAP包裝；氪和氙用于照相工業(yè)，而且這兩種氣體在真空放電管中會發(fā)出藍(lán)色光。其中隨著飛艇行業(yè)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)上采用氫氣的方式又具有極大的危險性，因此盡管價格昂貴、但是使用安全的氦氣成了飛艇行業(yè)發(fā)展的動力。氬氣MAP包裝也是氣調(diào)包裝行業(yè)所研發(fā)的新型MAP氣體，氬氣可以通過抑制真菌生長，減少乙烯的釋放和緩解感官品質(zhì)變差，同時氬氣可以減少新鮮產(chǎn)品的呼吸率來延長產(chǎn)品的貨架期。
2 . 檢測材料的惰性氣體透過性
盡管已經(jīng)實現(xiàn)惰性氣體的工業(yè)生產(chǎn)，然而相對于自然界中非常豐富的常規(guī)氣體，惰性氣體的成本依舊是很昂貴的。因此，對于惰性氣體的合理使用和有效節(jié)省是惰性氣體應(yīng)用行業(yè)能否穩(wěn)定發(fā)展的關(guān)鍵。例如，對于飛艇行業(yè)，飛行時氣囊中會充滿惰性氣體，氣體用量巨大，盡管如今的飛艇氣囊蒙布是一種人造夾層材料以使得氦氣泄漏降到zui少，然而究竟在一次飛行過程中會泄漏多少氦氣（直接影響飛行成本），則需要檢測氣囊蒙布的氦氣透過性。
雖然現(xiàn)在可用于檢測材料透氣性的測試方法有壓差法和等壓法兩大類，但是只有壓差法可以實現(xiàn)對于惰性氣體或者其他常規(guī)氣體的檢測，等壓法測試氣體單一限制了它的應(yīng)用領(lǐng)域。盡管有些人認(rèn)為可以通過預(yù)先測得幾種氣體對于某種材料的透過量測試數(shù)據(jù)并進(jìn)而算出幾組測試數(shù)據(jù)之間的比例關(guān)系，然后通過等壓法的透氧測試數(shù)據(jù)就可以推算出其他氣體對于材料的透過量，可惜的是這種方法很難獲得實際應(yīng)用，因為只要測試氣體出現(xiàn)變化、或者材料種類出現(xiàn)變化，這種比例關(guān)系也將發(fā)生改變。
壓差法的原理簡單明了，通過在試樣兩側(cè)形成0.1MPa的測試氣體壓差，在滲透過程穩(wěn)定后按照下腔壓力的變化量就可以計算材料的滲透性能。壓差法對測試氣體的基本要求是不能腐蝕管路以及腔體，惰性氣體極不活潑，因此不會存在腐蝕管路以及腔體的可能性，不過還需要注意測試環(huán)境、尾氣處理以及氣體濃度安全性等方面的因素。
圖1. 壓差法測試原理圖
在檢測試樣對于氦氣的阻隔性時，應(yīng)注意以下情況：首先，氦氣的泄漏是驚人的，這種泄漏不但會出現(xiàn)在滲透腔中，同時也會出現(xiàn)在氣源的減壓控制端，這是因為氦氣的穿透性*。因此，在進(jìn)行試驗時，一定要保證氣源中壓力充足，以免由于氣源供氣不足導(dǎo)致試驗失敗。其次，應(yīng)預(yù)防出現(xiàn)在測試腔中氣體從試樣邊緣泄漏的情況，如果不注意這方面的控制，很可能會得到錯誤的試驗結(jié)果。這一點(diǎn)，Labthink的壓差法氣體滲透儀都已經(jīng)通過*的結(jié)構(gòu)設(shè)計很好地解決了。
3. 測試數(shù)據(jù)分析
我們收到的氦氣檢測典型材料是一所研究機(jī)構(gòu)提供的具有特殊涂層的材料，約4mm厚，但是厚度均勻性不好。在進(jìn)行材料的透氦量檢測的同時，我們實驗室還對該材料的透氧性能進(jìn)行了對比試驗，測試數(shù)據(jù)詳見表1。測試數(shù)據(jù)單位是cm3/m2·24h·0.1MPa。
表1. 氧氣、氦氣透過性測試數(shù)據(jù)表
測試次數(shù) | 透氧量 | 透氦量 |
1 | 208.2411 | 989.6291 |
2 | 201.4471 | 1081.291 |
3 | 300.8272 | 1148.4061 |
4 | 351.4992 | 1122.3051 |
5 | 260.332 | 1163.631 |
1. 涂層朝下（沒有涂層的一側(cè)朝向試驗氣體）
2. 涂層朝上（有涂層的一側(cè)朝向試驗氣體）
盡管由于材料厚度均勻性不好使得測試數(shù)據(jù)的重復(fù)性表現(xiàn)并不太理想，但是分析表中數(shù)據(jù)可以獲得以下結(jié)論：首先，材料的透氧量要遠(yuǎn)小于透氦量，這可能與氦氣易泄漏有關(guān)，盡管氦氣的化學(xué)性質(zhì)不活潑。其次，對于涂層材料，用有涂層的一側(cè)朝向試驗氣體要比使用沒有涂層的一側(cè)朝向試驗氣體所得的透氧量要大，從表中數(shù)據(jù)分析可知，試樣涂層朝上時測得的透氧量要比試樣涂層朝下時測得的透氧量大50％左右。
4 . 展望
隨著惰性氣體工業(yè)制取技術(shù)的發(fā)展，其應(yīng)用逐漸推廣，對于惰性氣體的有效存儲和合理應(yīng)用是惰性氣體工業(yè)應(yīng)用推廣的重點(diǎn)，需要檢測材料對惰性氣體的阻隔性能?，F(xiàn)在通過壓差法透氣性檢測設(shè)備，可以檢測材料對絕大多數(shù)惰性氣體的阻隔性能，為惰性氣體的實際應(yīng)用奠定良好的基礎(chǔ)。
